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TEA1504開關(guān)電源低功耗控制IC
摘要：介紹了Philips公司開發(fā)的Green Chip TM綠色芯片TEA1504的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理，該控制芯片集成了開關(guān)電源的PWM控制、高低頻模式轉(zhuǎn)換、柵極驅(qū)動(dòng)和保護(hù)等功能，同時(shí)上有瞬態(tài)響應(yīng)快，啟動(dòng)電流過(guò)沖小，待機(jī)功耗低等特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：開關(guān)電源 TEA1504 脈寬調(diào)制 低功耗
1 前言
開關(guān)電源以其供電效率高，穩(wěn)壓范圍大，體積小被越來(lái)越多的電子電器設(shè)備所采用，在大屏幕電視機(jī)、監(jiān)視器、計(jì)算機(jī)等電器的待機(jī)或備用（stand-by）狀態(tài)會(huì)繼續(xù)耗電，為此，Philips公司采用BiCOMS工藝開發(fā)出了被之為Green Chip TM(綠色芯片)的高壓開關(guān)電源控制芯片。該類集成芯片（IC）的穩(wěn)壓范圍為90～276V(AC)，能將開關(guān)電源待機(jī)功耗降至2W以下，其本身的待機(jī)損耗小于100mW，并具有快速和高效的片內(nèi)啟動(dòng)電流源；在負(fù)載功率較低時(shí)，它還能自動(dòng)轉(zhuǎn)換到低頻工作模式，從而降低了開關(guān)電源的損耗。高水平的集成技術(shù)使IC的外圍元件大大減少，以實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源的小型化、高效率和高可靠性。本文介紹的TEA1504是Green Chip TM系列IC中的重要成員之一。
圖1 TEA1504的內(nèi)部原理框圖
2 TEA1504的工作原理
TEA1504采用14腳雙列直插式(DIP14)塑料封裝，它的引腳功能如表1所列，內(nèi)部原理框圖如圖1所示。該IC內(nèi)部集模擬電路和數(shù)字電路于一體。它除含有誤差放大器、振蕩器、脈寬調(diào)器（PWM）、鋸齒波發(fā)生器等一般開關(guān)電源控制IC的單元電路外，還集成了高壓?jiǎn)?dòng)電流源、獨(dú)特的開、關(guān)功能電路和猝發(fā)待機(jī)（burst mode stand-by）電路。TEA1504具有三種工作模式，即：正常開/關(guān)工作模式、猝發(fā)待機(jī)模式和輕負(fù)載功率低頻模式。通過(guò)靈活設(shè)置工作模式可大大提高開關(guān)電源的工作效率。
表1 TEA1504引腳功能
功 能
Vi 1 高壓?jiǎn)?dòng)電流源輸入 DRIVER 4 驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出，接功能MOSFET管的柵極 Isense 5 電流取樣輸入，連接到電流取樣電阻 Vaux 6 IC電源端，連接到輔助電源濾波電容 DS 7 IC內(nèi)部驅(qū)動(dòng)電路電源，可與6端共用電源 REF 8 參考輸入，連接到參考電阻，于設(shè)置內(nèi)部參考電流 CTRL 9 振蕩周期和脈沖占空比控制 GND 11 地 DEM 13 消磁信號(hào)輸入端 OOB 14 猝發(fā)待機(jī)模式，開/關(guān)工作模式控制信號(hào)輸入端 n.c. 其它 未連2.1 內(nèi)部啟動(dòng)電流源和電源Vaux管理
TEA1504內(nèi)部設(shè)計(jì)有先進(jìn)的啟動(dòng)電流源，因而無(wú)需外加高耗能的連續(xù)充電電路。啟動(dòng)電流源由外部主電壓從Vi端（pin1）輸入，可為IC的電源電容Caux提供充電電流，同時(shí)也為IC的內(nèi)部控制電路提供工作電流。當(dāng)Vaux端的電源電容被充電到11V時(shí)，振蕩器開始起振，IC輸出脈寬調(diào)制信號(hào)（PWM）來(lái)驅(qū)動(dòng)功率MOSFET管，從而使開關(guān)變壓器的次級(jí)隨之輸出直流電壓Vo。Caux上的電壓在啟動(dòng)時(shí)有一次充放電的過(guò)程，啟動(dòng)時(shí)由啟動(dòng)電流源對(duì)Caux充電。當(dāng)Caux上的電壓上升到11V時(shí)，電路將產(chǎn)生振蕩并輸出PWM波。同時(shí)Caux上的電壓開始下降，當(dāng)該電壓下降到下限門限值8.05V時(shí)（UVLO）,開關(guān)變壓器輸出電壓，從而使Caux被輔助繞組重新充電到11V。TEA1504的正常啟動(dòng)波形如圖2（a）所示。
另外，啟動(dòng)電流源還能幫助實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障狀態(tài)下的安全再啟動(dòng)或“打嗝”工作模式。一般在故障狀態(tài)下，IC將停止正常工作模式。因?yàn)楫?dāng)IC檢測(cè)到輸出故障狀態(tài)時(shí)，會(huì)立即封鎖驅(qū)動(dòng)脈沖輸出，而使Caux無(wú)法得到補(bǔ)充充電，從而使其電壓隨之下降，一旦Caux上的下降到電壓下限鎖定值，啟動(dòng)電流源將重新被激活，并將Caux充電到11V，系統(tǒng)又開始進(jìn)入安全再起動(dòng)模式，如此往復(fù)循環(huán)。而在“打嗝”工作模式（其工作波形如圖2（b）所示），為了達(dá)到安全的“打嗝”工作模式，在安全再啟動(dòng)模式下，Caux的充電電流Irestart應(yīng)為0.53mA，而正常工作模式下的充電電流Istart為1mA，因而可確保在輸出短路情況下系統(tǒng)元件不致?lián)p壞。IC內(nèi)帶溫度補(bǔ)償?shù)?.5V基準(zhǔn)電壓在經(jīng)REF腳（pin8）外接參考電阻RREF后可產(chǎn)生一個(gè)不受溫度影響的偏置電流IREF，但應(yīng)注意：RREF的取值會(huì)影響到振蕩頻率。
圖2 TEA1504典型波形
2.2 脈寬調(diào)制器（PWM）與振蕩器
TEA1504使用獨(dú)特的電壓反饋結(jié)構(gòu)。它的初級(jí)電壓反饋信號(hào)通過(guò)RDEM從DEM端（pin13）輸入，采樣與保持電路通過(guò)流入DEM端的采樣電流來(lái)工作，采樣電流的大小與RDEM上的電壓有關(guān)。次級(jí)采樣電流的大小被儲(chǔ)存在CTRL腳的外接電容CCTRL上，并由它給PWM調(diào)制器設(shè)定驅(qū)動(dòng)脈沖的占空比。在次級(jí)反饋電路中，反饋電壓一般通過(guò)光耦合器提供。
PWM單元由一個(gè)反相誤差放大器和比較器組成，它輸出的PWM波的占空比與CTR端（pin9）的控制電壓成反比。來(lái)自振蕩器的信號(hào)通過(guò)觸發(fā)器送到功率MOSFET的驅(qū)動(dòng)級(jí)可使MOSFET管開通，而來(lái)自脈寬調(diào)制器的信號(hào)或占空比限制電路信號(hào)，則可使MOSFET關(guān)斷。當(dāng)PWM輸出波形不穩(wěn)時(shí)，觸發(fā)器將停止輸出PWM波形。PWM波形的最大占空比為80%。
在脈寬調(diào)制電路中，將振蕩器輸出的鋸齒波電壓與誤差放大器的輸出進(jìn)行比較，可調(diào)整PWM波形的占空比。振蕩器被全部集成在IC內(nèi)，通過(guò)內(nèi)部電容的充、放電產(chǎn)生鋸齒波，鋸齒波的斜坡段占整個(gè)振蕩周期的80％，所以IC輸出波形的最大占空比為80％。改變外部參考電阻RREF的電阻值（RREF可在16.9kΩ～33.2kΩ之間選擇）可使振蕩頻率在50～100kHz之間改變。IC內(nèi)部有一個(gè)頻率控制單元，它能根據(jù)輸出負(fù)載的輕重自動(dòng)使振蕩器工作于低頻或高頻狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)電源的輸出功率小于最大輸出功率的1/9時(shí)，TEA1504將轉(zhuǎn)換到低頻工作模式，低頻與高頻工作模式的頻率比為1:2.5。低頻工作可減小開關(guān)電源的開關(guān)損耗，而且在轉(zhuǎn)換時(shí)不會(huì)影響到輸出電壓的調(diào)節(jié)。
TEA1504輸出的驅(qū)動(dòng)脈沖正向電流可達(dá)120mA，反向脈沖電流可達(dá)550mA。它允許快速開通和關(guān)斷功率MOSFET管。選擇較低的正向脈沖，是為了限制MOSFET管開通時(shí)的dV/dt(電壓上升率)，以降低電路的電磁干擾（EMI），同時(shí)減少通過(guò)電阻Rsense的電流峰值。
2.3 TEA1504的保護(hù)功能
TEA1504的保護(hù)功能主要有過(guò)電流保護(hù)（OCP）、過(guò)電壓保護(hù)（OVP）、140℃超溫保護(hù)和磁飽和保護(hù)等。其中磁飽和保護(hù)是為了確保能提供間斷性的電源輸出、簡(jiǎn)化反饋控制電路的設(shè)計(jì)以及提供較快的暫態(tài)響應(yīng)，從而防止變壓器和電感元件在啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)磁飽和或儲(chǔ)能元件在釋放能量時(shí)承受的應(yīng)力過(guò)大。另外，當(dāng)開關(guān)電源的輸出處在短路狀態(tài)時(shí)，磁飽和保護(hù)還能對(duì)開關(guān)電源提供逐周電流保護(hù)。
圖3 開/關(guān)模式下的次級(jí)反饋式開關(guān)電源
3 TEA1504的應(yīng)用電路
由TEA1504構(gòu)成的開關(guān)電源的主要組成部分有EMI濾波器、全橋整流器、濾波電容、開關(guān)變壓器、功率MOSFET管及緩沖電路等。取樣電阻將初級(jí)電流轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷杭拥絀SENSE端（pin5）后，IC將根據(jù)該電壓來(lái)設(shè)置開關(guān)電流的峰值電流。輔助線圈用于給Caux提供能量，從而提供給IC的內(nèi)部電源，該線圈也是初級(jí)輸出電壓調(diào)節(jié)電路的一部分。電阻RREF可決定進(jìn)入REF(pin8)的參考電流。電容CCTRL的取值很小，一般為0.2～2nF，通常接到CTRL端（pin9），因此可通過(guò)內(nèi)部的采樣保持電路來(lái)調(diào)節(jié)初級(jí)反饋，同時(shí)這一端也是次級(jí)光電耦合器的信號(hào)輸入端。輸入端OOB(pin14)可選擇開/關(guān)模式或猝發(fā)待機(jī)模式。主輸入電源連接到Vi(pin1)，可作為IC內(nèi)部啟動(dòng)時(shí)的電流源，同時(shí)在啟動(dòng)和安全再啟動(dòng)模式下給電容Caux充電。
圖3是一種采用開/關(guān)模式的反饋式開關(guān)電源。圖中，開關(guān)S1的一端連接到OOB端（pin14），另一端連接到地或2.5V電壓上。如果VOOB為低電平，則IC進(jìn)入關(guān)斷模式，VI腳消耗電流的典型值為350μA；如果VOOB為2.5V，則IC將安啟動(dòng)時(shí)序開始正常工作，此時(shí)Ivi=60μA。
圖4是另一種使用3只電阻的開關(guān)模式開關(guān)電源，假定R3的阻值很高，那么，在IC啟動(dòng)時(shí)，如果VOOB=2.5V且R1>>R2,那么，由VOOB=VmainsR2/（R1+R2）可以得出：Vmains=VOOBR1/R2,這就確保了只有當(dāng)主電壓高于某一值（例如Vmains=80V）時(shí)，開關(guān)電源才能進(jìn)行工作模式，從而使得流過(guò)R1的電流降低。IC的OOB腳（pin14）也可用于猝發(fā)待機(jī)模式。在IC待機(jī)狀態(tài)下，開關(guān)電源進(jìn)入一種特殊的低功耗狀態(tài)，其功耗低于2W。實(shí)際上，圖4也是一種利用猝發(fā)式待機(jī)和開/關(guān)模式的反饋式開關(guān)電源。圖中，當(dāng)微處理器（μP）將次級(jí)的開關(guān)S2、S3閉合時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入猝發(fā)待機(jī)狀態(tài)，開關(guān)S2將次級(jí)繞組連接到微處理器電容（Cμc）可旁路掉輸出電容C0。當(dāng)Cμc上的電壓高于穩(wěn)壓管(Vz)的擊穿電壓時(shí)，光耦合器被觸發(fā)并將反饋信號(hào)送到OOB端，以使IC停止工作而進(jìn)入“打嗝”模式。系統(tǒng)故障狀態(tài)下的“打嗝”模式與猝發(fā)模式工作期間的“打嗝方式是不同的。系統(tǒng)故障時(shí)，在安全再啟動(dòng)狀態(tài)下的輸出功率非常小，而猝發(fā)模式還需輸出足夠的功率提供給微處理器。為防止變壓器發(fā)出噪聲，變壓器的峰值電流應(yīng)減小3.3倍，也就是說(shuō)，在μP打開開關(guān)S2和S3之前，猝發(fā)式待機(jī)模式一直持續(xù)。S2和S3一旦打開，系統(tǒng)則進(jìn)入起動(dòng)時(shí)序并開始正常的開關(guān)。
圖4 猝發(fā)待機(jī)模式下的次級(jí)反饋式開關(guān)電源
4 主要電氣性能
TEA1504的Vin腳最高重復(fù)電壓為600V，工作電流為20～100μA。OOB腳的最高電壓為14V，DEM腳的最大電流為±1mA，Vaux腳的最大電壓范圍為0.3～+18V，VCTRL和Isense引腳的最大電壓范圍為-0.3～5V，REF腳的最大電流為1mA，工作溫度范圍為-10～+140℃。
TEA1504的6腳啟動(dòng)電壓為11±0.6V，電壓下降門限值為8.05V。6腳的啟動(dòng)電流最大值為-1mA，正常工作電流為3.85mA。
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